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Vertiefen Sie Ihr Wissen zum Thema Polarisation

Erinnern Sie sich noch an den Physikunterricht in der Schule, wo gezeigt wurde, wie Polarisation die Lichtreflexion aus bestimmten Blickwinkeln reduziert? Ihre Sonnenbrille leistet übrigens das gleiche, wie Ihnen sicherlich bekannt ist. Aber wissen Sie eigentlich genau, wie sich Licht steuern lässt?

Ein elektrisches Feld oszilliert durch seine Wechselwirkung mit dem Magnetfeld und umgekehrt. Üblicherweise haben beide Wellen die gleiche Wellenlänge und Phase. Die Kombination aus den gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern formt die elektromagnetische Welle.
Wie Sie bereits wissen, lassen sich Wellen mittels Spitzen- und Talwerten sowie Amplituden grafisch darstellen. Dabei zeigt die Amplitude einer elektromagnetischen Welle deren Intensität (bzw. Helligkeit) an.
Das Lichtspektrum liegt in einem größeren elektromagnetischen Spektrum, das von Gammastrahlen bis hin zu Radiowellen reicht.
(UV-, sichtbares und IR-Spektrum machen nur einen kleinen Teil der verschiedenen existierenden Wellenlängen aus.)

Wie funktioniert Polarisation in diesen Spektren?


Die Polarisation einer Welle gibt die Richtung der Amplitude des elektrischen Feldes an. Polarisiertes Licht bedeutet, dass alle Wellen die gleiche Polarisation aufweisen.
Unpolarisiertes Licht hat viele Wellen, die in verschiedene Richtungen schwingen. Dies wird in der Querschnittsgrafik rechts veranschaulicht. Hier würden auch Lichtstrahlen aus dem Bildschirm direkt auf Sie zukommen. Beispiele dafür sind Glühlampen oder Sonnenlicht.
Edwin Land, geboren 1909 in Connecticut, erfand 1929 Polaroid, das weltweit erste polarisierende Material für den kommerziellen Gebrauch. 1937 gründete er die Polaroid Corporation in Cambridge, Massachusetts, wo die ersten Sonnenbrillen mit Polarisationsfilter produziert wurden.
Source: https://en.wikipedia.org/wiki/Polaroid_Eyewear


Wo lässt sich Polarisation sinnvoll einsetzen?


Die ideale Beleuchtungslösung für glänzende und gewölbte Objekte wären High-End-Beleuchtungsquellen wie...
... Dom-Beleuchtungen mit halb versilberten Spiegeln oder Flat-Dome-Beleuchtungen, die diffuses Licht aus allen Richtungen erzeugen.
Das sind zwar gute aber auch kostspielige Lösungen - nur manchmal funktionieren sie einfach nicht. Hier kommen die Polarisationsfilter ins Spiel, um direkte Reflexionen von einem Objekt zu reduzieren.


Zirkuläre und elliptische Polarisation


Hier wird es etwas komplizierter. Wenn die Phase des elektrischen und magnetischen Feldes nicht gleich ist, spricht macht man von einer elliptisch polarisierten Welle. Die elliptische Polarisation ist eine Mischform; die Auslenkung beschreibt dabei eine Ellipse.



Gibt es eine Möglichkeit, die Polarisation des Lichts quantitativ zu bestimmen?


Die Antwort ist: Ja! Und zwar mit dem Stokes-Vektor. Dieser besteht aus vier Werten, die den Polarisationszustand (Richtung und Intensität) elektromagnetischer Wellen definieren – ob unpolarisiert, teilpolarisiert oder vollständig polarisiert.
Sie wurden 1852 von George Gabriel Stokes als mathematisch sinnvolle Alternative zur allgemeineren Beschreibung inkohärenter oder teilpolarisierter Strahlung in Bezug auf ihre Gesamtintensität (I), den polarisierten Anteil der Intensität (p) und die Formparameter der Polarisationsellipse definiert.


Visualisierung von Spannungen in einem Kunststofflineal anhand von Stokes-Parameterbildern


Die obigen Bilder stellen jeweils die ersten drei Stokes-Parameter S0, S1 und S2 dar. Die Stokes-Parameterbilder lassen sich zu Einzelbildern kombinieren, in denen die Pixelintensität...

... den Grad der linearen Polarisation (DoLP) und den Polarisationswinkel (AoMP) zeigt.

S0, DoLP, AoMP lassen sich auf den HSV-Farbraum abbilden, um die Spannungen in der Struktur des Lineals besser zu visualisieren.


Polarisation durch Reflexion


Der Einfallswinkel, bei dem polarisiertes Licht perfekt durch eine transparente Oberfläche gelenkt wird, wird als Brewster-Winkel θB bezeichnet.
Sir David Brewster, war ein schottischer Wissenschaftler, der sich vor allem mit der physikalischen Optik beschäftigte. Seine ersten Untersuchungen betrafen die Polarisation von Licht sowie die Entdeckung des sogenannten Brewster-Winkels.
Wenn unpolarisiertes Licht im Brewster-Winkel auf die Oberfläche trifft, erzeugt es einen 90-Grad-Winkel zwischen dem polarisierten reflektierten und dem gebrochenen Lichtstrahl.
Hier ein Beispiel mit Bildern von einem Handy. Der Polarisationsfilter wird mit der Kamera verwendet, die ein Bild von einem Handy aus zwei verschiedenen Winkeln macht.


Flächensensoren mit integrierten Polarisationsfiltern



Flächensensor: SONY IMX250MZR POL


Jede Berechnungseinheit (4 Pixel) hat 4 Nanodraht-Arrays, die auf 90°, 45°, 135° und 0° ausgerichtet sind.
Durch Positionieren des Polarisators unter dem Lens-on-Chip-Arrays reduziert Sony Semiconductor Solutions den unerwünschten Effekt des Übersprechens. Dies geschieht, wenn Licht aus einem polarisierten Winkel in ein benachbartes Pixel trifft.


Zeilensensor: quadlinearer Zeilensensor von Teledyne Dalsa


Die Architektur des Sensors der Polarisationskamera Piranha von Teledyne Dalsa besteht aus Nanodraht-Mikropolarisationsfiltern, die auf Silizium (Si) aufgebracht sind. Die Ausrichtung auf drei verschiedene Polarisationswinkel von 0° (s), 90° (p) bzw. 135° ermöglicht die Erkennung dreier verschiedener Polarisationszustände. Ein vierter Kanal ohne Filter erlaubt die direkte Erfassung von Licht jeder Polarisationsrichtung. Der 45°-Kanal kann mit dieser Berechnung leicht abgeleitet werden: I0 + I90 = I45 + I135

Praxis-Beispiele

Detektion von mechanischer Spannung in Filterdosendeckeln

Foto

Unpolarisiert

Polarisiert

Folienbodeninspektion von Kartendecks

Foto

Unpolarisiert

Polarisiert

Folieninspektion der Aufreißlasche von Kartendecks

Foto

Unpolarisiert

Polarisiert

Inspektion von glänzenden, spiegelnden oder reflektierenden Oberflächen

Polarisation von 0 Grad

Polarisation von 90 Grad

Vier Polarisations-richtungen

Polarisation von 0 Grad

Polarisation von 90 Grad

Vier Polarisations-richtungen

Vorteil von Polarisation

Die Bildverarbeitung auf Basis von Polarisation ist eine leistungsstarke Technik mit enormen Vorteilen. Denn nicht nur die Oberflächenbeschaffenheit wie Rauheit, Kratzer, Dellen und Beschichtung können den Polarisationszustand des Lichts verändern, sondern auch andere physikalische Eigenschaften wie z.B. mechanische Belastung oder Doppelbrechung. Das bedeutet: Mit Hilfe des Polarisationsverfahrens lassen sich Eigenschaften also auch Defekte erkennen, die mit keiner anderen Methode sichtbar sind.


Bitte sprechen Sie uns an, wenn diese Technologie für Sie interessant ist.

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